CN110910971A - 一种zl201铸造铝合金铸件孔隙率的预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种ZL201铸造铝合金铸件孔隙率的预测方法，将模具及材料性能参数导入procast软件中模拟铸造过程，参数包括模具温度、浇铸温度、ZL201铝合金固定的化学成分配比，铸造完成后建立应力分析模型，并计算铝合金副车架的孔隙率；本发明基于铸造铝合金金属模铸从“设计‑合金‑工艺‑组织‑性能”的全流程集成计算与仿真，并实现应用示范。
Description
技术领域
本发明涉及一种ZL201铸造铝合金铸件孔隙率的预测方法，属于复合材料制备领域。
背景技术
铸造铝合金是传统的金属材料，由于其密度小、比强度高等特点，被广泛的应用于航空、航天、汽车、机械等各行业。ZL201Al-Cu合金是工业上采用最早的铸铝合金，在各种铸铝合金中其重要性和应用范围仅次于Al-Si合金。Al-Cu合金由于Cu作为主要的合金元素加入，使其具有了良好的室温和高温性能，而且它的切削加工性能和耐热性能也较好。但在一定的含铜量范围内，A1-Cu合金的铸造性能较差，特别是热裂倾向严重，导致ZL201铝合金副车架铸件强度低，延展性较低，使其在工业上的应用受到了很大的限制，影响合金热裂的因素主要包括：1、铸造合金性质的影响：热裂的多种影响因素中，合金化学组成通过控制凝固区间，晶粒尺寸，共晶组织分数对热裂产生影响。一般来说，热裂倾向性随着凝固区间的增大而增大。化学组成是影响凝固区间的主要因素。细化晶粒后，金属液可以更好地补缩，共晶相分布也更加均匀。细化晶粒最常见的方法是添加细化剂或者提高冷却速率。2、铸型性质的影响：铝合金副车架铸件凝固收缩时受到的阻力愈大，铝合金副车架铸件内产生的收缩应力愈大，铝合金副车架铸件愈易开裂，故铸型的退让性对铝合金副车架铸件形成热裂起着重要的作用。铸型退让性好，铝合金副车架铸件受到的阻力较小，形成的热裂可能性也愈小。湿型较干型的退让性好，故铝合金副车架铸件不易形成热裂。采用金属型浇注大铝合金副车架铸件，由于铝合金副车架铸件表面冷却得快，形成一层凝固层，同时由于收缩使铝合金副车架铸件表面离开铸型壁，在金属液体静压力作用下，因凝固层强度不足也会形成热裂。当金属型涂料刷不均匀时，往往因冷却快慢不均，促使慢冷部位产生裂纹。提高金属型的温度可以减少热裂的倾向性。3、浇铸条件的影响：浇注温度对铸钢件形成热裂的影响是复杂的。一方面，浇注温度高会增加钢水中的气体含量，提高其流动性，降低金属的凝固速度并有利于非金属夹杂物的排除。另一方面，对厚壁铝合金副车架铸件，浇注温度过高会增加缩孔容积，减缓冷却速度，使初晶粗化，形成偏析，因而促使热裂更易形成。此外，浇注温度过高往往容易引起铝合金副车架铸件粘砂或与金属型壁粘合，阻碍铝合金副车架铸件收缩，引起热裂。4、晶粒大小对热裂的影响[20]：晶粒细化对热裂倾向性的影响机理有三种观点。第一，由于液相要愈合的裂纹尺寸与晶粒尺寸成正比，所以从理论上说，晶粒尺寸越小，合金的塑性越好，越不容易产生热裂。第二，晶粒的细化推迟了枝晶搭桥的产生，正在凝固的壳层能够得到液相更好的补缩。在许多合金中，枝晶开始形成连接和最终完成凝固之间产生的凝固层的收缩减小，因而热裂倾向较小。第三，在考虑了晶粒的滑移和扭转而造成形变的基础上，对半固态金属的塑性提出了一个简单模型，晶粒滑移越小，扭转越容易，则塑性越好。
高强ZL201铝合金铝合金副车架铸件的金属型腔铸造工艺具有较大优势，但也存在一些需要改进的问题，通过基于材料基因工程的集成计算，从铝合金化学成分，合金元素、相结构、微观组织、宏观性能、熔体净化、铸造和热处理全链条的跨尺度理论计算和实验验证有机结合，达到提升高强铝合金副车架的组织和性能的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种ZL201铸造铝合金铸件孔隙率的预测方法，具体包括以下步骤：
根据ZL201铸造铝合金进行尺寸测验记录；将模具及材料性能参数导入procast软件中模拟铸造过程，参数包括模具温度、浇铸温度、ZL201铝合金固定的原材料化学成分配比：Cu：5.5mol%；Mn：0.8mol%；Fe：0.05mol%；Al：93.65mol%，模拟铸造完成后建立应力分析模型，并计算铝合金铸件的孔隙率。
所述原材料中还加入细化剂Ti、Mn、Sr。
所述Ti、Mn、Sr纯金属粉末细化剂的加入量：Ti为0.5mol%~0.7mol%，Mn为0.3mol%~0.4mol%，Sr为0.2mol%~0.8mol%，均为占Cu、Mn、Fe、Al四者总摩尔量的百分含量；其中Ti、Mn、Sr金属的纯度为99.99mol%。
所述模具温度设为340℃~360℃。
所述浇铸温度设为720℃~740℃。
本发明的有益效果：
（1）基于材料基因工程的思想，构建铸造铝合金的化学组成、熔体净化、热处理工艺、相结构、显微组织以及性能的高通量集成计算平台，建立铸造铝合金基础数据库，发展基于合金元素、固溶、析出相、界面和晶体缺陷等基本单元强韧化设计的材料设计方法，开发析出相纯组元以及多相铸造铝合金材料性能的计算方法；
（2）本发明基于铸造铝合金金属模铸从“设计-合金-工艺-组织-性能”的全流程集成计算与仿真，并实现应用示范。
附图说明
图1为实施例4通过应力分析模拟的ZL201铸造铝合金副车架的应力场；
图2为验证例4实际得到的铝合金副车架的金相组织图；
图3为实施例5通过应力分析模拟的ZL201铸造铝合金副车架的应力场；
图4为验证例5实际得到的铝合金副车架的金相组织图；
图5为实施例6通过应力分析模拟的ZL201铸造铝合金副车架的应力场；
图6为验证例6实际得到的铝合金副车架的金相组织图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步描述，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
一种ZL201铸造铝合金副车架孔隙率的预测方法，具体包括以下步骤：
根据ZL201铸造铝合金副车架进行尺寸测验记录，将铝合金副车架模具及材料性能参数导入procast软件中模拟铸造过程，参数包括模具温度350℃，浇铸温度720℃，ZL201铝合金固定的化学成分配比：Cu：5.5mol%；Mn：0.8mol%；Fe：0.05mol%；Al：93.65mol%，模拟铸造过程完成后，建立应力分析模型，并计算铝合金副车架的孔隙率为8.7%。
验证例1
（1）按照ZL201铝合金固定的化学成分配比：Cu：5.5mol%；Mn：0.8mol%；Fe：0.05mol%；Al：93.65mol%称取原材料，720℃进行熔化3h得到，获得液态ZL201铝合金；
（2）将步骤（1）的金属液在0.1~0.2Mpa的压力下浇铸在副车架模具中，模具温度为350℃，铸件浇铸温度为720℃，充型完成后空冷至室温，最终得到热烈倾向性小、成分均一的ZL201铸造铝合金副车架，得到的铸件的有效应力最大值为172.3Mpa，检测铝合金副车架的孔隙率为9.4%。
比较实施例1计算得到的铝合金副车架的孔隙率和验证例1实际得到的铝合金副车架的孔隙率，两者相差不大，说明实施例1的预测方法准确。
实施例2
一种ZL201铸造铝合金副车架孔隙率的预测方法，具体包括以下步骤：
根据ZL201铸造铝合金副车架进行尺寸测验记录，将铝合金副车架模具及材料性能参数导入procast软件中模拟铸造过程，参数包括模具温度360℃，浇铸温度740℃，ZL201铝合金固定的化学成分配比：Cu：5.5mol%；Mn：0.8mol%；Fe：0.05mol%；Al：93.65mol%，模拟铸造过程完成后，建立应力分析模型，并计算铝合金副车架的孔隙率为8.6%。
验证例2
（1）按照ZL201铝合金固定的化学成分配比：Cu：5.5mol%；Mn：0.8mol%；Fe：0.05mol%；Al：93.65mol%称取原材料，740℃进行熔化3h得到，获得液态ZL201铝合金；
（2）将步骤（1）的金属液在0.1~0.2Mpa的压力下浇铸在副车架模具中，模具温度为360℃，铸件浇铸温度为740℃，充型完成后空冷至室温，最终得到热烈倾向性小、成分均一的ZL201铸造铝合金副车架，得到的铸件有效应力最大值为137.8Mpa，检测铝合金副车架的孔隙率为9.1%。
比较实施例2计算得到的铝合金副车架的孔隙率和验证例2实际得到的铝合金副车架的孔隙率，两者相差不大，说明实施例2的预测方法准确。
实施例3
一种ZL201铸造铝合金副车架孔隙率的预测方法，具体包括以下步骤：
根据ZL201铸造铝合金副车架进行尺寸测验记录，将铝合金副车架模具及材料性能参数导入procast软件中模拟铸造过程，参数包括模具温度340℃，浇铸温度730℃，ZL201铝合金固定的化学成分配比：Cu：5.5mol%；Mn：0.8mol%；Fe：0.05mol%；Al：93.65mol%，模拟铸造过程完成后，建立应力分析模型，并计算铝合金副车架的孔隙率为8.8%。
验证例3
（1）按照ZL201铝合金固定的化学成分配比：Cu：5.5mol%；Mn：0.8mol%；Fe：0.05mol%；Al：93.65mol%称取原材料，750℃进行熔化3h得到，获得液态ZL201铝合金；
（2）将步骤（1）的金属液在0.1~0.2Mpa的压力下浇铸在副车架模具中，模具温度为340℃，铸件浇铸温度为730℃，充型完成后空冷至室温，最终得到热烈倾向性小、成分均一的ZL201铸造铝合金副车架，得到的铸件有效应力最大值为156.3Mpa，检测铝合金副车架的孔隙率为9.3%。
比较实施例3计算得到的铝合金副车架的孔隙率和验证例3实际得到的铝合金副车架的孔隙率，两者相差不大，说明实施例3的预测方法准确。
实施例4
一种ZL201铸造铝合金副车架孔隙率的预测方法，具体包括以下步骤：
根据ZL201铸造铝合金副车架进行尺寸测验记录，将铝合金副车架模具及材料性能参数导入procast软件中模拟铸造过程，参数包括模具温度350℃，浇铸温度720℃，ZL201铝合金固定的化学成分配比：Cu：5.5mol%；Mn：0.8mol%；Fe：0.05mol%；Al：93.65mol%，细化剂Ti为0.7mol%，Mn为0.4mol%，Sr为0.3mol%，细化剂的百分含量均为占Cu、Mn、Fe、Al四者总摩尔量的百分含量，其中Ti、Mn、Sr金属的纯度为99.99%，模拟铸造过程完成后，建立应力分析模型，如图1所示，并计算铝合金副车架的孔隙率为5.6%。
验证例4
（1）按照ZL201铝合金固定的化学成分配比：Cu：5.5mol%；Mn：0.8mol%；Fe：0.05mol%；Al：93.65mol%称取原材料，720℃进行熔化3h得到，获得液态ZL201铝合金；再加入细化剂Ti为0.7mol%，Mn为0.4mol%，Sr为0.3mol%，细化剂的百分含量均为占Cu、Mn、Fe、Al四者总摩尔量的百分含量，其中Ti、Mn、Sr金属的纯度为99.99%；
（2）将步骤（1）的金属液在0.1~0.2Mpa的压力下浇铸在副车架模具中，模具温度为350℃，铸件浇铸温度为720℃，充型完成后空冷至室温，最终得到热烈倾向性小、成分均一的ZL201铸造铝合金副车架，其金相组织图如图2所示，从图中可以看出孔隙的分布比较集中，主要集中在铸件的中心部位，检测铝合金副车架的孔隙率为6.4%。
比较实施例4计算得到的铝合金副车架的孔隙率和验证例4实际得到的铝合金副车架的孔隙率，两者相差不大，说明实施例4的预测方法准确。
实施例5
一种ZL201铸造铝合金副车架孔隙率的预测方法，具体包括以下步骤：
根据ZL201铸造铝合金副车架进行尺寸测验记录，将铝合金副车架模具及材料性能参数导入procast软件中模拟铸造过程，参数包括模具温度360℃，浇铸温度740℃，ZL201铝合金固定的化学成分配比：Cu：5.5mol%；Mn：0.8mol%；Fe：0.05mol%；Al：93.65mol%，细化剂Ti为0.6mol%，Mn为0.3mol%，Sr为0.2mol%，细化剂的百分含量均为占Cu、Mn、Fe、Al四者总摩尔量的百分含量，其中Ti、Mn、Sr金属的纯度为99.99%，模拟铸造过程完成后，建立应力分析模型，如图3所示，并计算铝合金副车架的孔隙率为5.5%。
验证例5
（1）按照ZL201铝合金固定的化学成分配比：Cu：5.5mol%；Mn：0.8mol%；Fe：0.05mol%；Al：93.65mol%称取原材料，740℃进行熔化3h得到，获得液态ZL201铝合金；再加入细化剂Ti为0.6mol%，Mn为0.3mol%，Sr为0.2mol%，细化剂的百分含量均为占Cu、Mn、Fe、Al四者总摩尔量的百分含量，其中Ti、Mn、Sr金属的纯度为99.99%；
（2）将步骤（1）的金属液在0.1~0.2Mpa的压力下浇铸在副车架模具中，模具温度为360℃，铸件浇铸温度设为740℃，充型完成后空冷至室温，最终得到热烈倾向性小、成分均一的ZL201铸造铝合金副车架，其金相组织图如图4所示，从图中可以看出孔隙的分布比较集中，主要集中在铸件的中心部位，检测铝合金副车架的孔隙率为6.3%。
比较实施例5计算得到的铝合金副车架的孔隙率和验证例5实际得到的铝合金副车架的孔隙率，两者相差不大，说明实施例5的预测方法准确。
实施例6
一种ZL201铸造铝合金副车架孔隙率的预测方法，具体包括以下步骤：
根据ZL201铸造铝合金副车架进行尺寸测验记录，将铝合金副车架模具及材料性能参数导入procast软件中模拟铸造过程，参数包括模具温度340℃，浇铸温度730℃，ZL201铝合金固定的化学成分配比：Cu：5.5mol%；Mn：0.8mol%；Fe：0.05mol%；Al：93.65mol%，细化剂0.5mol%的Ti，0.4mol%的Mn，0.4mol%，细化剂的百分含量均为占Cu、Mn、Fe、Al四者总摩尔量的百分含量，其中Ti、Mn、Sr金属的纯度为99.99%，模拟铸造过程完成后，建立应力分析模型，如图5所示，并计算铝合金副车架的孔隙率为5.7%。
验证例6
（1）按照ZL201铝合金固定的化学成分配比：Cu：5.5mol%；Mn：0.8mol%；Fe：0.05mol%；Al：93.65mol%称取原材料，750℃进行熔化3h得到，获得液态ZL201铝合金；再加入细化剂0.5mol%的Ti，0.4mol%的Mn，0.4mol%，细化剂的百分含量均为占Cu、Mn、Fe、Al四者总摩尔量的百分含量，其中Ti、Mn、Sr金属的纯度为99.99%；
（2）将步骤（1）的金属液在0.1~0.2Mpa的压力下浇铸在副车架模具中，模具温度为340℃，铸件浇铸温度设为730℃，充型完成后空冷至室温，最终得到热烈倾向性小、成分均一的ZL201铸造铝合金副车架，其金相组织图如图6所示，从图中可以看出孔隙的分布比较集中，主要集中在铸件的中心部位，检测铝合金副车架的孔隙率为6.2%。
比较实施例6计算得到的铝合金副车架的孔隙率和验证例6实际得到的铝合金副车架的孔隙率，两者相差不大，说明实施例6的预测方法准确。
本发明ZL201铸造铝合金铸件不局限于铝合金副车架，其他的铝合金铸件也可以采用本发明的方法进行孔隙率的预测。
Claims (5)
1.一种ZL201铸造铝合金铸件孔隙率的预测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
将ZL201铸造铝合金铸件模具及材料性能参数导入procast软件中模拟铸造过程，参数包括模具温度、浇铸温度、ZL201铝合金固定的原材料化学成分配比：Cu：5.5mol%；Mn：0.8mol%；Fe：0.05mol%；Al：93.65mol%，模拟铸造完成后建立应力分析模型，并计算铝合金铸件的孔隙率。
2.根据权利要求1所述ZL201铸造铝合金铸件孔隙率的预测方法，其特征在于，所述原材料中还加入细化剂Ti、Mn、Sr。
3.根据权利要求2所述ZL201铸造铝合金铸件孔隙率的预测方法，其特征在于，所述Ti、Mn、Sr细化剂的加入量：Ti为0.5mol%~0.7mol%，Mn为0.3mol%~0.4mol%，Sr为0.2mol%~0.8mol%，均为占Cu、Mn、Fe、Al四者总摩尔量的百分含量；其中Ti、Mn、Sr金属的纯度为99.99mol%。
4.根据权利要求1所述ZL201铸造铝合金铸件孔隙率的预测方法，其特征在于，所述模具温度为340℃~360℃。
5.根据权利要求1所述ZL201铸造铝合金铸件孔隙率的预测方法，其特征在于，所述浇铸温度为720℃~740℃。
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